分析虛擬加工和其關鍵技術、系統結構(一)
0 引言試切的過程也就是對 CAD/CAM系統生成的 NC程序的檢驗過程。傳統的試切是采用塑模、 蠟模或木模在專用設備上進行的, 需要技術人員在整個過程中進行監控。而且試切過程本身具有危險, 如刀具和夾具或工作臺之間發生的碰撞、進給不合理導致的刀具破壞等。因此這種做法不但浪費人力物力, 而且延緩生產周期, 增加產品開發成本、 降低生產效率, 極大地影響制造系統的性能。另一方面, 由于計算機性能的不斷改善以及計算機圖形學技術的迅猛發展, 計算機仿真技術在制造系統中得到了廣泛的應用。如果采用計算機上的仿真加工來替代或減少實際的試切工作, 就可以大大縮短產品的生產周期, 降低其制造成本, 增加整個產品的市場競爭力。在這樣的背景之下, 虛擬加工應運而生。1 虛擬加工概述結合目前國內外的研究, 本文對虛擬加工作如下定義。虛擬加工是實際加工過程在計算機上的本質實現[1], 即采用計算機仿真技術, 對加工中心進行建模, 由此在計算機上實現如車、 鏜、 銑、 鉆等實際產品加工的本質過程, 為虛擬制造建立一個真實的可視化的加工環境。由此可見, 虛擬加工雖然不是實際的加工, 但卻能實現實際加工的本質過程, 并且可以全面逼真地反映現實的加工環境。在計算機仿真技術的支持下, 虛擬加工可以實現實際加工過程在虛擬環境中的完全映射,同時無需消耗額外的實際資源。因此可以通過在計算機上實現虛擬加工環境, 用以仿真和評測各加工過程對產品性能和質量的影響, 以消除設計中的不合理成分, 增強對產品加工的預測能力和決策水平, 提高加工質量和加工效率, 最終提高產品的加工和制造水平。從開發實現的角度來說, 虛擬加工系統的實現主要集中在加工過程仿真。加工過程仿真的研究一直是CAD/CAM技術的一個研究熱點。根據在 CAD/CAM中的不同階段, 加工過程仿真系統可以分為 3 種: 編程過程中的圖形檢驗、 刀位驅動的切削過程圖形仿真和 NC驅動的加工過程仿真。在這 3 個方面國外都有相應的軟件系統, 如 IDEAS- GNC中采用了第 1 種圖形仿真檢驗方法, 利用動態顯示刀具來對整個走刀軌跡進行總體檢查, 為了方便判斷, 可靈活選擇所要顯示的型面圖、 觀察視點, 利用窗口放大局部細節等。Cimplex采用第 2 種仿真方法, 采用了加工件的逐步成型技術, 技術細節還不可知; Command 軟件采用了第 3 種方法, 利用形體定義法可檢驗運動中的干涉問題。由于目前的實際加工制造過程中大多采用精工系統進行控制, 而控制的輸入則是 NC 代碼, 因此在上述3 種方法中, 適用范圍比較廣泛的是第 3 種, 即 NC 驅動的加工過程仿真。實際的虛擬加工軟件系統則往往是以 NC驅動的加工過程仿真系統, 即采用三維實體仿真技術, 以 NC代碼為驅動, 精工指令翻譯器對輸入的NC 代碼進行語法檢查、 翻譯; 根據指令生成相應的刀具掃描體, 在指令的驅動下, 刀具掃描體與被加工零件的幾何體進行求交運算、 碰撞干涉檢查、 材料切除等,并生成指令執行后的中間結果。所有這些虛擬加工過程均可以在計算機屏幕上通過三維動畫顯示出來。指令不斷執行, 每一條指令的執行結果均可保存, 以便查驗, 直到所有指令執行完畢, 虛擬加工任務結束。2 虛擬加工關鍵技術結合前文對虛擬加工內涵的分析, 筆者認為虛擬加工的幾個主要關鍵技術是幾何建模技術、精工代碼翻譯、 碰撞干涉檢驗以及材料切除過程仿真技術。